Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wenn die Umwelt Druck macht - Natürliche Selektion schafft neue Gene

10.04.2008
Neue Gene entstehen durch eine Reihe molekularer Mechanismen, unter anderem durch Genduplikation. Dabei wird ein bereits bestehendes Gen verdoppelt, so dass es nun in einer weiteren Kopie vorliegt.

Weil das neue Gen für den Erhalt und die Funktion des Organismus nicht nötig ist, wirken sich Veränderungen darin oft nicht unmittelbar aus. Das neue Gen verändert sich in der Regel deshalb schneller als die ursprünglich identische Vorlage, bis sich die Duplikate grundlegend unterscheiden - und auch verschiedene Funktionen vermitteln.

Die beiden Evolutionsbiologen Professor Wolfgang Stephan und Dr. Steffen Beisswanger der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München konnten nun zeigen, dass ein sehr wichtiger Mechanismus der Evolution eine unerwartet große Rolle bei dieser funktionellen Differenzierung spielt. Wie in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift "Proceedings of the National Academy of Sciences USA (PNAS)" berichtet, ist damit zum ersten Mal die Bedeutung der natürlichen Selektion in diesem Zusammenhang nachgewiesen. Darunter versteht man den Druck, den die Umwelt auf Individuen ausübt, und der über deren genetische Anpassungsfähigkeit - und letztlich den Fortpflanzungserfolg - vermittelt wird.

Umso überraschender war, dass das in der vorliegenden Studie untersuchte Gen zwar von dem neu gefundenen Mechanismus betroffen ist, aber wohl keinen direkten Umweltbezug hat.

... mehr zu:
»Evolution »Gen »Genkonversion »Selektion

"Im Laufe der Evolution haben sich zunehmend komplexere Lebensformen entwickelt", berichtet Stephan. "Dies war nur möglich, weil auch Gene mit neuen Funktionen entstanden sind. Und eine der zentralen Aufgaben für uns Evolutionsgenetiker besteht darin, diesen Prozess der funktionellen Differenzierung zu erklären." Nach der herrschenden Lehrmeinung entstehen neue Gene in der Regel durch die Duplikation eines bereits vorhandenen Gens, wobei sich die beiden Kopien dann zunehmend in Bezug auf ihren Aufbau und die Funktion voneinander entfernen.

Dies kann dazu führen, dass eines der beiden Gene die ursprüngliche, das andere aber eine neue Funktion annimmt. Wie dies genau vonstatten geht, war bislang allerdings weitgehend unklar. Die Evolution von duplizierten Genen ist nämlich dank der so genannten Genkonversion gekoppelt.

Dabei werden Sequenzinformationen im genetischen Material ausgetauscht, in diesem Fall zwischen den beiden Duplikaten. Dadurch aber können beispielsweise die Mutationen eines der beiden Gene auf das andere übertragen werden - die Identität der Kopien bleibt so also tendenziell erhalten.

"Deshalb stellt sich die Frage, wie schnell sich die Duplikate auseinanderentwickeln müssen, um dem Prozess der Genkonversion zu entgehen", sagt Beisswanger. "Wir wollten zudem wissen, welcher Mechanismus dieses Entkommen ermöglicht. Letztlich haben unsere Ergebnisse dann gezeigt, dass positive natürliche Selektion den Prozess der funktionellen Differenzierung zweier Genkopien ermöglicht, wenn sie sehr stark ist - und wenn gleichzeitig die Genkonversion zwischen den Duplikaten unterdrückt wird.

Stephan und Beisswanger untersuchten in der vorliegenden Arbeit zwei benachbarte Gene der Taufliege Drosophila melanogaster, die durch Duplikation entstanden waren: ph-d (distal) und ph-p (proximal), die zusammen den Genort oder Locus ph (für "polyhomeotic") bilden. "Die Duplizierung von ph ist vor mindestens 25 bis 30 Millionen Jahren erfolgt", berichtet Stephan. "Trotzdem sind sich die beiden Kopien strukturell und funktionell noch sehr ähnlich, was wohl auf Genkonversion zurückzuführen ist." Dennoch zeigen sich Unterschiede in der Regulation der beiden Gene - was ein erstes funktionelles Auseinanderdriften anzeigt.

Die beiden Evolutionsbiologen analysierten deshalb die Sequenz der Duplikate auf der Suche nach eindeutigen Anzeichen für einen starken positiven Selektionsdruck. Ein Beispiel für einen derartigen - meist kurzlebigen und damit schwer nachweisbaren - "selective sweep" ist eine Veränderung im Genom mit positiven Auswirkungen, die erst vor kurzem fixiert wurde. Typisch für einen "selective sweep" ist unter anderem eine geringe Variation an der betreffenden Stelle im Genom.

Tatsächlich fanden die Wissenschaftler entsprechende Merkmale im Bereich des ph-Genorts. Es ließ sich sogar noch weiter eingrenzen, wo genau der Selektionsdruck vermutlich am stärksten wirkt: Dieser Bereich ist im Gen ph-p. "Die Frage ist nun, wie es zur Neofunktionalisierung kommen kann, obwohl die Genkonversion in diesem Bereich im Laufe der Evolution auch gewirkt hat," so Stephan. "Wir vermuten, dass dieser Mechanismus im betroffenen Bereich inaktiviert wurde, weil zu schnell zu viele Veränderungen aufgetreten sind, bis eine Genkonversion dann unmöglich wurde."

Bisher wurde die natürliche Selektion als Helfer der Neofunktionalisierung wegen des Gegenspielers Genkonversion nur theoretisch für möglich gehalten. "Unser Resultat ist aber auch aus einem anderen Grund überraschend", ergänzt Beisswanger. "Natürliche Selektion bedeutet schließlich, dass Individuen, die mehr Nachkommen als ihre Artgenossen produzieren, ihre Genvarianten erfolgreich weitergeben.

Diese Fitness wird vor allem über die individuelle Fähigkeit zur Anpassung an die Umwelt vermittelt. Entsprechend hatten wir erwartet, die selective sweeps vor allem bei Genen zu finden, die an der Anpassung der Organismen direkt beteiligt sind. Das können etwa Gene sein, die Umweltgifte entschärfen oder die Sinneswahrnehmung beeinflussen. Das von uns untersuchte Gen hat aber wahrscheinlich keinen direkten Umweltbezug, sondern reguliert die Aktivität von hunderten anderer Gene. Möglicherweise also spielt die natürliche Selektion bei der Neofunktionalisierung sogar eine noch größere Rolle als vermutet." (suwe)

Publikation:
"Evidence that strong positive selection drives neofunctionalization in the tandemly duplicated polyhomeotic genes in Drosophila",
Steffen Beisswanger und Wolfgang Stephan,
PNAS, Bd. 105, S. 5447-52, 8. April 2008
Ansprechpartner:
Professor Dr. Wolfgang Stephan
Biozentrum der LMU
Tel.: 089 / 2180 - 74102
Fax: 089 / 2180 - 74104
E-Mail: stephan@zi.biologie.uni-muenchen.de

Luise Dirscherl | idw
Weitere Informationen:
http://www.lmu.de
http://www.zi.biologie.uni-muenchen.de/evol

Weitere Berichte zu: Evolution Gen Genkonversion Selektion

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Hemmung von microRNA-29 schützt vor Herzfibrosen
20.11.2017 | Technische Universität München

nachricht Satellitenbilder zur Erfassung von Biodiversität nur bedingt tauglich
20.11.2017 | Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung - UFZ

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Transparente Beschichtung für Alltagsanwendungen

Sport- und Outdoorbekleidung, die Wasser und Schmutz abweist, oder Windschutzscheiben, an denen kein Wasser kondensiert – viele alltägliche Produkte können von stark wasserabweisenden Beschichtungen profitieren. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Forscher um Dr. Bastian E. Rapp einen Werkstoff für solche Beschichtungen entwickelt, der sowohl transparent als auch abriebfest ist: „Fluoropor“, einen fluorierten Polymerschaum mit durchgehender Nano-/Mikrostruktur. Sie stellen ihn in Nature Scientific Reports vor. (DOI: 10.1038/s41598-017-15287-8)

In der Natur ist das Phänomen vor allem bei Lotuspflanzen bekannt: Wassertropfen perlen von der Blattoberfläche einfach ab. Diesen Lotuseffekt ahmen...

Im Focus: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Im Focus: «Kosmische Schlange» lässt die Struktur von fernen Galaxien erkennen

Die Entstehung von Sternen in fernen Galaxien ist noch weitgehend unerforscht. Astronomen der Universität Genf konnten nun erstmals ein sechs Milliarden Lichtjahre entferntes Sternensystem genauer beobachten – und damit frühere Simulationen der Universität Zürich stützen. Ein spezieller Effekt ermöglicht mehrfach reflektierte Bilder, die sich wie eine Schlange durch den Kosmos ziehen.

Heute wissen Astronomen ziemlich genau, wie sich Sterne in der jüngsten kosmischen Vergangenheit gebildet haben. Aber gelten diese Gesetzmässigkeiten auch für...

Im Focus: A “cosmic snake” reveals the structure of remote galaxies

The formation of stars in distant galaxies is still largely unexplored. For the first time, astron-omers at the University of Geneva have now been able to closely observe a star system six billion light-years away. In doing so, they are confirming earlier simulations made by the University of Zurich. One special effect is made possible by the multiple reflections of images that run through the cosmos like a snake.

Today, astronomers have a pretty accurate idea of how stars were formed in the recent cosmic past. But do these laws also apply to older galaxies? For around a...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

500 Kommunikatoren zu Gast in Braunschweig

20.11.2017 | Veranstaltungen

VDI-Expertenforum „Gefährdungsanalyse Trinkwasser"

20.11.2017 | Veranstaltungen

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Künstliche neuronale Netze: 5-Achs-Fräsbearbeitung lernt, sich selbst zu optimieren

20.11.2017 | Informationstechnologie

Tonmineral bewässert Erdmantel von innen

20.11.2017 | Geowissenschaften

Hemmung von microRNA-29 schützt vor Herzfibrosen

20.11.2017 | Biowissenschaften Chemie